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基于納芯微NST112X的測溫手環
2023-01-31
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2022年可以說是溫度傳感器開始獲得高度關注的一年。業界巨頭蘋果，三星都分別發布了配備溫度傳感器的新一代智能手表。目前的微型溫度傳感器無論是從功耗，體積還是性能方面，都已經可以滿足智能穿戴產品的需求。而且隨著物聯網的快速發展，溫度傳感器將在個人健康醫療，智能家居等方面迎來需求上的大爆發。
本期元器件評測，我們從市場上幾款溫度傳感器中選則了一款超小的溫度傳感器：納芯微電子生產的NST112X。我們會對它的性能，參考設計做一個介紹，并提供我們基于參考設計制作的一個溫度測試模塊的測評和總結。
值得一提的是，在小米最新款Xiaomi Watch S2手表上，也已配備了2顆納芯微的溫度傳感器。
圖：小米手表
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產品特點：
先來看一下納芯微的NST112X溫度傳感器到底有多迷你：外形尺寸在BGA的封裝下只有的0.75*0.75mm。這是NST112X和一元硬幣放在一起的對比圖，可以說是幾乎小到看不見。
是不是大大突破了以往你對溫度傳感器尺寸的印象呢？
圖：納芯微NST112X與1元硬幣對比圖
NST112X性能和參數：
從芯片的數據手冊中我們可以看出，在采用WLCSP封裝的情況下，在最常用的25到45度的溫度測量區間內，它的典型測試誤差只有正負0.1度。NST112X的測溫范圍為：-40 到85度。在整個測溫范圍內，最大測量誤差不超過1度。
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優勢&局限：
優勢：
NST112X支持總線上掛多達4個NST112測溫IC，可以提供集成化的多點測量，其優勢包括：
? 集成度高：幾乎不需要額外的電路
? 高線性度：可減少軟件線性化工作量精度高
? 精度高：可達±0.1℃，幾乎沒有漂移低功耗
? 低功耗：4種測溫技術中功耗最低成本低
? 成本低：芯片成本、方案成本相對較低
這是NST112X的典型應用電路：
圖6：NST112X的典型應用電路
可以看到，電路非常簡單，不再需要高精度電阻，也不需要MCU做模數轉換和采樣工作。只需要MCU提供I2C總線或者利用GPIO管腳來接收數字化的溫度信息即可。
局限：
BGA封裝過小，焊接一般需要借助顯微鏡，焊接難度較大。
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設計體驗：
我們基于智能穿戴的應用場景，設計了一款嵌入了NST112x的測溫手環，來評估一下它體表溫度測量方面的性能。
在手環中我們設計了4顆傳感器位置，為了簡化設計將傳感器的接口引出到一個連接器，通過外接帶藍牙的處理模塊來進行數據采集和發送。在手環的外形設計中，我們利用FPC本身的結構做成了一個表帶。為了方便穿戴在一側做了一排開孔，在另一側做了尖扣。當然，在實際的穿脫體驗上仍待改進。
表盤部分正常敷銅，表帶部分采用網格敷銅，芯片位置不敷銅保證溫度不會快速耗散。
圖：NST112x的測溫手環實物圖
手環的電路圖、PCB圖等已附在電子森林測評頁面中，可點擊閱讀原文獲取。
NST112x測溫手環使用KiCad設計完成，KiCad是一款免費、開源、企業級應用的PCB設計工具，有豐富的開源庫和案例。未來KiCad也將被越來越多的企業使用，初學者建議可以選擇它作為PCB設計工具，在電子森林有很多相關的介紹和課程方便學習。下圖為使用KiCad軟件設計NST112x測溫手環的界面截圖。
圖：使用KiCad設計的NST112x測溫手環
下面我們進入NST112x測溫手環的測試環節，來看看這款溫度傳感器IC在響應速度、分辨率、功耗、一致性等方面的表現。
實驗1：響應速度測試
室溫25度，將NST112x測溫手環放入有一定溫度的礦物油（或水）中，采集溫度變化曲線。將手環浸入礦物油中，我們可以看到溫度迅速上升到了45度，響應速度是非常快的。
圖：NST112x測溫手環的響應速度測試1
將手環從礦物油中取出，由于手環表面還有礦物油附著，可以看到溫度并沒有迅速往下降。
圖：NST112x測溫手環的響應速度測試2
實驗2：多從機一致性驗證：在總線上掛多個傳感器，同時采集溫度
圖：在總線上掛多個NST112x傳感器，同時采集溫度
實驗3：工作功耗驗證
我們使用一個高精度的電流表來測量一下它的工作電流，在FPC軟板上串接一個電流表測試，工作狀態下，測量平均電流。
傳感器設置為工作和休眠交替，采樣時間設置為0.02s，可以看到2個芯片在同時工作時電流在40uA左右。
圖：2顆NST112x傳感器同時工作的電流
實驗4：休眠"低功耗"特性
與實驗3的環境相同，傳感器設置為工作和休眠交替，采樣時間設置為0.02s，可以看到不工作時2個芯片電流在0.8uA左右。
圖：2顆NST112x傳感器同時不工作的電流
實驗5：高分辨率特性驗證
此項驗證的是高分辨率模式下長時間采集的噪聲情況，我們將測溫手環放到盒子里進行長時間測量，可以看到溫度曲線比較平穩，中間有波動是因為打開了空調和過了一會打開了屋門。
圖：NST112x的測溫手環溫度時間序列曲線
設計要點：
以上測試實驗均使用我們制作的評估板完成，我們再來看一下這顆IC官方的設計建議。
在智能穿戴產品的設計中，Layout以及熱設計都是重點：建議合理運用鏤空和芯片周邊覆銅設計，這樣有助于控制傳熱效率和隔熱效果。我們的目標是利用測溫傳感器精確測量腕部皮膚溫度，同時隔絕其他發熱源。那么在測溫傳感器周圍不鋪銅，可以有效降低傳熱和測溫部分的熱容。
圖：在NST112x官方設計指導下畫的PCB和3D效果圖
這張圖顯示了溫度從手腕皮膚傳導至傳感器芯片的熱傳導路徑：
圖：溫度從手腕皮膚傳導至傳感器芯片的熱傳導路徑
一般建議選用導熱系數高，材質堅固的不銹鋼或藍寶石作為智能穿戴設備的外殼，考慮到絕緣因素，可以用導熱硅膠等材料將其與傳感器隔開。隔熱墊片的作用是為了隔離其他發熱源對測量的影響。
封裝方面：NST112x 采用 DSBGA 封裝，適用于工業和消費市場中的對結構集成有嚴苛要求的產品，如智能手表、IoT 節點傳感器、藍牙體溫貼等。
選型方面：NST112x和同類芯片的一個對比如下
可以看到，無論是溫度范圍，工作電壓，測量精度和分辨率，以及功耗方面，它都具備了國外同類產品的性能和參數，提供了高精度，高性價比的解決方案。
當然，除了NST112x，納芯微還提供一系列不同參數和封裝的溫度傳感器，用戶可以根據自己的需要進行選擇。
圖：納芯微不同參數和封裝的溫度傳感器介紹
以上就是本期NST112x溫度傳感器的全部介紹，可以看到這顆國產IC在參數性能上已經能完全達到國外的相同水平，在設計可穿戴類產品的時候，這類芯片都是非常合適的選擇。
免責聲明：本文采摘自“電子森林”,本文僅代表作者個人觀點，不代表薩科微及行業觀點，只為轉載與分享，支持保護知識產權，轉載請注明原出處及作者，如有侵權請聯系我們刪除。
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